牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)

1、湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（2018屆） 題 目： 牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì) 院（部）： 鐵 道 機(jī) 電 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí)： 電氣化1501班 姓 名： 李 雯 指導(dǎo)老師： 曹 志 華 成果展示形式： 方案設(shè)計(jì) 2018年 4 月 10 日目 錄1.畢業(yè)設(shè)計(jì)方案流程圖12.微機(jī)保護(hù)22.1微機(jī)保護(hù)裝置的優(yōu)越性22.2微機(jī)保護(hù)裝置存在的不足22.3對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的要求23.微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成43.1模擬量輸入單元43.2模擬量輸出單元83.3保護(hù)CPU 單元113.4人機(jī)接口與通訊接口13總結(jié)16參 考 文 獻(xiàn)171.畢業(yè)設(shè)計(jì)方案流程圖本設(shè)計(jì)題目為牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)原理的設(shè)

2、計(jì)，文中首先對(duì)牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，然后介紹了微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)。如下圖所示。微機(jī)保護(hù)微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)模擬量輸出單元模擬量輸入單元人機(jī)接口和通信接口保護(hù)CPU單元D/A轉(zhuǎn)換回路A/D轉(zhuǎn)換回路模擬量濾波回路鎖存器采樣保持電路電壓形成回路2.微機(jī)保護(hù)隨著當(dāng)前電子信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和壯大，牽引供電系統(tǒng)的供電保護(hù)系統(tǒng)功能逐漸得到完善并且突破傳統(tǒng)電器保護(hù)的基本形式，繼電保護(hù)形式基于微處理器逐漸顯現(xiàn)，微機(jī)保護(hù)也可稱為由微機(jī)微處理器和其他設(shè)備組成的繼電保護(hù)。2.1微機(jī)保護(hù)裝置的優(yōu)越性（1）靈活性強(qiáng)。（2）綜合判斷能力強(qiáng)。（3）性能穩(wěn)定，可靠性高(4)微處理器的保護(hù)功能主要是借助微型

3、計(jì)算機(jī)技術(shù)的存儲(chǔ)功能，來實(shí)現(xiàn)并在逐步提高其保護(hù)性能，以此來不斷提高相關(guān)設(shè)備裝置的靈敏性。(5)借助計(jì)算機(jī)的智能化，微機(jī)保護(hù)可以自動(dòng)檢查故障并對(duì)其進(jìn)行診斷、鎖定和修復(fù)，這是傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置不能實(shí)現(xiàn)的功能。(6)相對(duì)于傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置來說危機(jī)保護(hù)裝置的體積相對(duì)較小且其功能相對(duì)齊全且具有智能化。(7)微機(jī)保護(hù)裝置更加方便的可以和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2.2微機(jī)保護(hù)裝置存在的不足（1）傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的工作原理相對(duì)新型裝置更為直觀，容易掌握，而內(nèi)部復(fù)雜的微機(jī)保護(hù)硬件電路和軟件原理只有專業(yè)設(shè)計(jì)人員才能了解；（2）微機(jī)保護(hù)雖然具有很高的可靠性，可一旦出現(xiàn)故障，只有專業(yè)人員才能維護(hù)；（3）硬件更

4、新?lián)Q代快，容易過時(shí)；（4）由于微機(jī)保護(hù)是電子產(chǎn)品，更新?lián)Q代較快，更增加用戶掌握其原理的難度。2.3對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的要求(1)致使其保護(hù)工作不受到其他監(jiān)控系統(tǒng)或其他系統(tǒng)的影響，正是由于這個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置的選擇性和快速性及其可靠性以及靈敏度等特點(diǎn)，要求相關(guān)保護(hù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及其硬件結(jié)構(gòu)要具備自身獨(dú)立且完整的保護(hù)功能以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)單位的保護(hù)功能。(2)具有故障記錄功能。一旦受保護(hù)對(duì)象出現(xiàn)意外事故時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行故障記錄并對(duì)記錄前后的故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，其主要包括對(duì)短路電流以及故障發(fā)生時(shí)間以及保護(hù)退出的時(shí)間等進(jìn)行記錄，以便于工作人員更加快速的分析故障所在位置及其原因。(3)微機(jī)保護(hù)裝

5、置還具有統(tǒng)一鐘對(duì)時(shí)的功能，其可以幫助系統(tǒng)更加快速準(zhǔn)確的對(duì)故障發(fā)生動(dòng)作以及保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間進(jìn)行記錄。(4)存儲(chǔ)多種保護(hù)整定值。(5)通信功能。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在與外界通信之前無法與高端系統(tǒng)保護(hù)裝置進(jìn)行通信。(6)故障自診斷、自閉鎖和自恢復(fù)功能。各保護(hù)單元應(yīng)具有完整的故障自診斷功能，能查找內(nèi)部故障，并且自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。3.微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成目前微機(jī)保護(hù)裝置通常采用CPU結(jié)構(gòu)，一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的保護(hù)裝置可以使用多個(gè)CPU來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能以及測(cè)算功能和控制功能的，一個(gè)CPU完成人機(jī)接口和通信功能。多個(gè)CPU微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成如下圖所示，其硬件構(gòu)成主要包括下述四部分內(nèi)容：圖1 微機(jī)保護(hù)裝置硬件構(gòu)成示意圖3.1模擬

6、量輸入單元數(shù)據(jù)采集模塊（模擬量輸入單元）的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用來與CPU互聯(lián)，完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、測(cè)量和保護(hù)等功能。模擬量輸入單元主要包括電壓形成和模擬量低通濾波、采樣保持和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，在其實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中主要是借助于應(yīng)用軟件程序和外圍控制電路的控制來實(shí)現(xiàn)的，完成模擬輸入量轉(zhuǎn)換給計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量。圖6顯示了模擬量輸入硬件設(shè)施的設(shè)計(jì)原理圖。圖2 模擬量輸入通道3.1.1電壓形成回路電壓形成的回路又被稱之為是隔離轉(zhuǎn)換電路，其主要功能就是為了實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)和電平之間的隔離及轉(zhuǎn)換功能。圖3 電壓形成回路綜合性自動(dòng)化裝置主要

7、從PT以及CT及相關(guān)的變換器二次側(cè)來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，就要求互感器或變換器輸出的量及二次數(shù)值范圍與裝置電路相適應(yīng)，否則信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。一般是采用中間繼電器將由一次設(shè)備PT二次側(cè)引來的電壓進(jìn)一步降低，將一次設(shè)備CT二次側(cè)引來的電流變成交流電壓。LPF和雙向限幅電路按照以下步驟將由中間變換器減少或轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的允許電壓。微機(jī)保護(hù)裝置從被對(duì)象的TA、TV或其他變換器上取得A、V等信息。但是，典型的微型計(jì)算機(jī)電路不適用于互感器的二次值和輸入范圍，需要再次進(jìn)行轉(zhuǎn)換或降低。運(yùn)用中間變換器通常用于將變壓器的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為±5v或±10v范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。電壓變換器

8、將交流電流信號(hào)變換成比例的電壓信號(hào)。電壓形成回路一個(gè)是起到電量變換的作用，另一個(gè)重要作用是將TA、TV的二次回路與模數(shù)轉(zhuǎn)換及微機(jī)系統(tǒng)完全隔高，提高抗于擾能力。3.1.2采樣保持電路采樣基本原理采樣保持電路的主要功能就是模擬輸出量在該時(shí)刻瞬間值能在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化期間保持輸出量的不變。S/H電路的工作原理可以用圖4來說明，其主要是由AS和Ch兩個(gè)阻抗變換器構(gòu)成的，AS受到邏輯輸入端電平控制，該邏輯輸入就是采樣脈沖信號(hào)。當(dāng)輸入高電平時(shí)，AS自動(dòng)閉合，電路采樣，此時(shí)電容則會(huì)迅速充電或者是迅速放點(diǎn)到U s r在采樣時(shí)刻的電壓值。每個(gè)Ts電子模擬開關(guān)AS將閉合一次，輸入信號(hào)采樣

9、。如果每次關(guān)閉開關(guān)的時(shí)間為Tc，則輸出將是一系列重復(fù)周期為Ts，寬度為Tc的脈沖。脈沖寬度是Tc，并且脈沖幅度在 Tc內(nèi)重復(fù)信號(hào)幅度，必須滿足AS關(guān)閉時(shí)間，以便 Ch有充足的時(shí)間來充電或放置點(diǎn)數(shù)。即使采樣的時(shí)間足夠多但采樣的時(shí)間越短越好。應(yīng)用阻抗變換器的目的是在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，這對(duì)輸入回路的影響很小，輸出阻抗非常低，導(dǎo)致電容充電和放電時(shí)間的回路時(shí)間常數(shù)很小，保證Ch上的電壓可以在采樣時(shí)迅速的跟蹤U s r。圖4 采樣保持電路工作原理圖及其采樣保持過程示意圖注：U s r輸入電壓 U s c輸出電壓 采樣保持電路輸出波形是階梯電壓波形當(dāng)AS接通時(shí)，AS開路時(shí)刻的電壓保持在電容器Ch上，并且電路

10、處于保持狀態(tài)。為了提高保持的能力 ，電路中使用了另外一個(gè)阻抗器，它在Ch對(duì)應(yīng)的充放電回路的時(shí)間常數(shù)很大，而輸入阻抗很低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。運(yùn)算放大器構(gòu)成了阻抗變換器和。3.1.3模擬量濾波回路模擬量濾波回路的功能是對(duì)電流和電壓信號(hào)中的高頻分量進(jìn)行濾波（高頻分量在發(fā)生故障時(shí)通常超過2000Hz)，可以同時(shí)減少微機(jī)保護(hù)裝置的采樣頻率，減小微機(jī)保護(hù)裝置的硬件要求。通常有兩類的模擬濾波器，一類是由R、C 等器件構(gòu)成的無源濾波器,另一類是由集成運(yùn)算放大器和R、C 等器件構(gòu)成的有源濾波器。目前，大多數(shù)基于微處理器的保護(hù)原理反映了工作的頻率。在這種情況下，為了降低f s，高頻分量可以在采樣前通過LPF濾除，

11、從而減少對(duì)硬件的要求。由于數(shù)字過濾器的優(yōu)點(diǎn)，通常不會(huì)要求圖5中的LPF將所有的高頻進(jìn)行分量。為消除頻率混疊濾掉f s /2以上的分量，并避免工頻周圍混疊高頻分量。低于f s/ 2的其他暫態(tài)頻率分量可以通過數(shù)字濾波器濾除，實(shí)際上TA以及TV對(duì)高頻分量有很大的抑制作用，因此不需要對(duì)抗混疊LPF的頻率特性有很高的要求。最簡(jiǎn)單的RC 低通濾波器如下圖所示。圖5 RC低通濾波器在使用低通濾波器消除頻率混疊的問題后，采樣頻率的大部分選擇取決于保護(hù)裝置的原理和算法的要求，另外還要考慮到硬件的速度。3.1.4模數(shù)轉(zhuǎn)換回路模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回路的主要功能是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理，模

12、數(shù)轉(zhuǎn)換器主要包括基于逐次逼近原理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基于電壓和頻率轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器有很多不同類型，從轉(zhuǎn)換過程來分，可以將其分為兩種類型，一個(gè)是直接轉(zhuǎn)化器；一個(gè)是間接轉(zhuǎn)換器。在直接轉(zhuǎn)換器中輸入模擬信號(hào)不需要其他中間選項(xiàng)就可以直接將其轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并及時(shí)輸出，在間接轉(zhuǎn)換器中，輸入模擬信號(hào)首先會(huì)將其轉(zhuǎn)換成某種中間變量，然后將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字，其相對(duì)較低的工作速度但其精準(zhǔn)性和抗干擾性較高，其常常是在測(cè)試僅表中使用頻率最多。圖6 模擬量輸入硬件設(shè)施的設(shè)計(jì)原理圖3.2模擬量輸出單元在綜合性自動(dòng)化系統(tǒng)中，電子計(jì)算的輸出是以數(shù)字形式完成的，一些執(zhí)行元件需要模擬電流或模擬電壓，因此，需要一個(gè)模擬

13、量輸出通道來實(shí)現(xiàn)其電流和電壓的輸出。模擬量輸出通道的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出以驅(qū)動(dòng)模擬調(diào)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量輸出通道包括接口電路，數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大驅(qū)動(dòng)電路，模擬量輸出主要包括數(shù)字-模擬量轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，由于該轉(zhuǎn)換器在數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，因此，在轉(zhuǎn)換過程中要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量輸入保持不變，數(shù)據(jù)總線上微機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較短，因此微機(jī)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換器之間要通過鎖存器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的穩(wěn)定性。通過轉(zhuǎn)換器獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過LPF以其波形更加平滑，另外驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備為了促使功率放大器通常用作模擬信號(hào)量輸出的驅(qū)動(dòng)電路。模擬量輸出通道組成框圖如圖所示。模擬量輸出硬件設(shè)施的設(shè)

14、計(jì)原理圖如圖9所示。 圖7 模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖3.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器電路及原理數(shù)/模轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，該轉(zhuǎn)換功能主要通過“按權(quán)展開，然后相加”的原理來實(shí)現(xiàn)，數(shù)字量是代碼按照數(shù)位組合表示的，為了成功將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，每個(gè)代碼根據(jù)其權(quán)大小將其轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過增加這些模擬量,可以獲得與之相應(yīng)數(shù)字量成正比的總模擬量。這是構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器的基本準(zhǔn)則。數(shù)模轉(zhuǎn)換器包含數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)字微電子開關(guān)電路和解碼網(wǎng)絡(luò)，以及求和電路和基準(zhǔn)電路，數(shù)字量將串行方式和并行方式輸入存于數(shù)據(jù)鎖存器中，在其內(nèi)部輸入密碼來對(duì)相應(yīng)的模擬電子開關(guān)進(jìn)行控制，促

15、使位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生正比的電流值，然后通過權(quán)值求和，得到數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。圖 3-8 D/A轉(zhuǎn)換器方框圖在設(shè)計(jì)中，主要分析了倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)相互之間無傳輸時(shí)間差的支路電流直接進(jìn)入運(yùn)算放大器的輸入端。因此，轉(zhuǎn)換速度就會(huì)不斷提高，傳輸中出現(xiàn)的尖峰脈沖減少，另外當(dāng)所有模擬開關(guān)狀態(tài)滿足先通后斷時(shí)，在其狀態(tài)轉(zhuǎn)換中流過各個(gè)支路的電流不發(fā)生改變，因此就不需要時(shí)間建立電流，這也有助于提高電路的工作速度。 基于上述分析原因，倒T型的電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器是當(dāng)前使用轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種轉(zhuǎn)換器也是應(yīng)用頻次最多的一種轉(zhuǎn)換器。3.2.2 鎖存器鎖存器是脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，其運(yùn)行

16、狀態(tài)在特定輸入脈沖電平之后改變。鎖存器暫時(shí)存儲(chǔ)信號(hào)以保持一定的電平。鎖存器使用電平控制數(shù)據(jù)的輸入，主要分為有無帶使能兩種類型，鎖存器主要用于緩存，其次用于完成高速控制器和慢速外部設(shè)施之間不相同步的問題，鎖存器的另外的功能是解決驅(qū)動(dòng)存在和解決一個(gè) I/O口可以同時(shí)執(zhí)行輸入和輸出。在一些運(yùn)算器電路中有時(shí)候會(huì)將鎖存器作為其數(shù)據(jù)暫存器。圖9 模擬量輸出硬件設(shè)施設(shè)計(jì)原理圖3.3保護(hù)CPU 單元CPU保護(hù)單元包含了微處理器以及只讀存儲(chǔ)器和內(nèi)存單元以及隨機(jī)存儲(chǔ)器和定時(shí)器以及并行接口和串行接口等多種不同裝置，當(dāng)CPU保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行編程程序時(shí)，首先分析處理從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的原始數(shù)據(jù)，完成繼電保護(hù)裝置的測(cè)量和邏輯

17、及相關(guān)控制功能，CPU保護(hù)單元原理如圖8所示。保護(hù)CPU硬件設(shè)施的設(shè)計(jì)原理圖如圖11所示。 圖10 保護(hù)CPU單元原理框圖CPU主要執(zhí)行控制及運(yùn)算功能ROM存儲(chǔ)器主要是用于存儲(chǔ)編程的程序，包括監(jiān)控和繼電保護(hù)功能程序。定時(shí)器則是用來計(jì)數(shù)和產(chǎn)生采樣脈沖和實(shí)時(shí)鐘等的時(shí)間計(jì)量。圖11 保護(hù)CPU硬件設(shè)施設(shè)計(jì)原理圖3.4人機(jī)接口與通訊接口3.4.1 人機(jī)接口 人和電子計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系以及交換信息輸入和輸出設(shè)備的接口就是人機(jī)接口，其主要包括了鍵盤以及顯示器和打印機(jī)及鼠標(biāo)器等硬件設(shè)施。完成兩個(gè)任務(wù)：(1)信息形式的轉(zhuǎn)換；(2)信息傳輸?shù)目刂?常用的液晶顯示器和6鍵操作鍵，以及人機(jī)交互面板主要包括帶有用戶自定

18、義畫面的大型LCD屏幕和一個(gè)由用戶定義的報(bào)警信號(hào)顯示LED；由用戶自定義用途的F功能鍵；光隔離的串行接口；就地、遠(yuǎn)方選擇按鈕；就地操作鍵。 在人機(jī)交互裝置和人機(jī)接口之間,實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)闹饕捎梅绞绞遣⑿型ㄐ欧绞?。其原理框圖如圖12所示。人機(jī)接口和通訊接口硬件設(shè)施的設(shè)計(jì)原理圖如圖14所示。 圖12 人機(jī)接口單元原理框圖3.4.2 通訊接口 設(shè)備信號(hào)傳輸是通訊接口的主要通道，包括聲音、屏幕畫面等資料的傳輸。它主要包括維護(hù)端口、監(jiān)控系統(tǒng)接口和波形記錄系統(tǒng)接口等。圖13 通訊接口原理框圖連接電子計(jì)算機(jī)對(duì)重要圖像資料以及文字資料等進(jìn)行備份處理，并配備顯影的掃描VGA輸出接口。 微機(jī)保護(hù)對(duì)其要求：快速，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，突發(fā)模式信息傳輸，采用星形、環(huán)形、總線形等物理結(jié)構(gòu)，支持多臺(tái)主機(jī)。圖14 人機(jī)接口與通訊接口硬件設(shè)施設(shè)計(jì)原